清華江萬軍團隊在拓撲磁結構的熱電操控和探測方面取得進展

清華新聞網10月27日電 物理系江萬軍課題組在拓撲磁結構的熱電操控和探測方面取得研究進展。研究者發現，利用晶片原位加熱技術，可以在磁性器件中產生出納米尺度大小的斯格明子（skyrmion）；且斯格明子會沿熱流方向從高溫區域向低溫區域單向擴散；同時可以通過熱電探測的方式原位檢測單個斯格明子。

磁性斯格明子是一種具有準粒子特性的手性自旋結構，圖一（A）為奈耳構型斯格明子的自旋結構示意圖。在磁性金屬薄膜中，電流或電流產生的自旋軌道轉矩可以用來產生和驅動斯格明子。但利用熱效應產生和驅動斯格明子的研究工作尚未見報導。江萬軍團隊在早期研究中發現，隨機熱漲落下斯格明子會發生與其拓撲數相關的旋性布朗運動，揭示了斯格明子拓撲相關的非平衡熱動力學，為研究熱產生和熱操控斯格明子奠定了基礎。

圖一：(A)奈耳構型磁性斯格明子的自旋結構示意圖；(B)以清華大學二校門為原型的磁性納米結構和原位加熱電阻絲組成的器件的掃描電子顯微鏡圖片；(C)在室溫、–20mT的面外磁場下，利用軟X射線全場透射式顯微鏡，在二校門構型的磁納米結構中觀察到條紋狀磁疇形態；(D)通過器件上的電阻絲原位加熱後，磁納米結構內呈現密堆積的斯格明子。

近日，利用美國勞倫茲-伯克利國家實驗室同步輻射光源的軟X射線全場透射式顯微鏡，在磁性多層膜[Ta/CoFeB/MgO]15、[Pt/CoFeB/MgO/Ta]15和[Pt/Co/Ta]15中，江萬軍團隊通過晶片原位加熱技術成功觀測到了納米尺度斯格明子的產生和運動。圖一（B）所示為該類器件的掃描電子顯微鏡照片，它由清華大學二校門為構型的磁性多層膜納米結構與原位加熱電阻絲組成。在−20mT垂直於器件平面的磁場下，多層膜磁納米結構的磁疇形態為條紋狀（圖一C）。當向電阻絲施加一個脈衝電流，即給多層膜納米結構施加一個脈衝熱流後，條紋疇劇變成為密堆積的斯格明子（圖一D）。

圖二：（左上）實驗器件照片及脈衝熱流施加方法的示意；（左下）利用軟X射線全場透射式顯微鏡對矩形磁納米結構的成像結果。隨著電阻絲中脈衝電壓的增大，發熱溫度升高，更多的斯格明子可以通過從樣品熱端缺陷處和條紋疇的拓撲形變中產生，並伴隨著向冷端單向擴散。（右）為隨時間演化的反常能斯特測量結果，從中可以看到單個斯格明子的湮滅產生約90nV的反常能斯特電壓信號。

為了能更準確地研究斯格明子的產生及運動過程，該團隊在矩形磁納米結構中，通過增加電阻絲的發熱溫度，清晰地觀測到斯格明子從納米結構熱端邊界處產生、條紋磁疇受熱後形變成為斯格明子、斯格明子從熱端向冷端做單一方向擴散運動這一過程（圖二左）。理論分析與數值模擬表明，原位加熱導致具有低能量勢壘的位置，如多層膜邊界、缺陷、或通過條紋疇的形變可以產生出斯格明子。斯格明子從高溫區向低溫區單向擴散起源於斯格明子之間的排斥力、熱自旋軌道轉矩、磁振子自旋轉矩以及的熵梯度的等效作用力。在該集成器件中，團隊進一步利用反常能斯特熱電探測技術原位檢測到了約為90nV單個斯格明子的熱電信號（圖二右）。這種熱產生、操控和熱電探測斯格明子的方法既可以與現有的電學操控方案集成，還可以用於到無法施加電流的絕緣斯格明子材料中。因此，這項研究不僅有助於斯格明子動力學的研究，而且也為設計新型拓撲自旋電子學器件提供了新的思路。

上述相關研究結果於10月26日以「磁性斯格明子的熱產生、熱操控及熱電探測（Thermal generation, manipulation and thermoelectric detection of skyrmions）」為題發表在《自然·電子學》（Nature Electronics）上。

清華大學物理系博士後王子東、微電子所博士後郭明華、物理系博士後周恆安和2018級物理系博士生趙樂為文章共同第一作者，清華大學物理系江萬軍副教授和美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室林士增研究員為共同通訊作者。論文合作者包括清華大學微電子所吳華強教授、材料學院宋成副教授、北京大學量子材料中心韓偉研究員、韓國蔚山科學技術院Ki-Suk Lee教授、義大利巴裡理工大學Mario Carpentieri教授、義大利墨西拿大學Giovanni Finocchio教授和美國勞倫茲伯克利國家實驗室Mi-Young Im研究員。該工作得到了國家自然科學基金、科技部重點研發計劃、北京自然科學基金、清華大學自主科研計劃理科專項、北京市高精尖晶片中心（ICFC）等項目的支持。

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https://doi.org/10.1038/s41928-020-00489-2